一種高效的窄帶無線數據傳輸系統設計

李軍軍

(河北遠東通信系統工程有限公司，河北 石家莊 050200)

0 引言

伴隨著計算機技術、信息技術的蓬勃發展，近幾年數據通信應用呈現出爆炸式增長勢頭。數據通信方式主要有有線通信和無線通信2種，盡管各有優劣，但在大部分區域2種通信方式都能夠實現相應的通信目的。然而也存在一些較為特殊的領域，同樣對通信功能有需求卻不便于通過有線通信來實現。譬如一些車載裝置需要添加通信功能[1]，但車輛存在數量大、放置地點不固定以及長時間移動性等特點，使用有線通信極其不便。另外，有些位置地理環境極度惡劣或者存在其他原因[2]造成該位置不便于架設電纜，但是這些位置同樣對通信有極大需求。如上述對通信功能有需求但不便于通過有線通信來實現的情形還有許多。無線傳輸由于其組網相對靈活、可擴展性強、布線極少、對地理位置和環境要求不高以及可遷移性強等優點，在物聯網、遙測、工業數據采集、安防以及軍事等眾多領域[3-7]應用越來越廣泛。另外，隨著近幾年低功耗嵌入式芯片、數據壓縮等技術的不斷進步[8-10]，無線數據通信原來存在的弊端正越來越少，因此，無線通信在數據通信領域正扮演著越來越重要的角色。

作為無線通信中的一個重要分支——窄帶無線通信系統，目前應用同樣十分廣泛[11-13]。然而受限于窄帶無線系統的數據接入能力和數據傳輸能力，對于存在數據傳輸對象多、數據傳輸實時性要求高的應用場景下，傳統窄帶無線系統并不能很好地滿足要求[14-16]。針對這些問題，本文提出一種高效的窄帶數據傳輸系統，該系統支持點對多點數據實時傳輸，同時能夠很好地解決點對多點存在的時隙多用戶碰撞問題，從而提高數據傳輸效率，滿足了通信的實時性要求。

1 系統總體描述

整個數據傳輸系統支持點對點以及點對多點的數據傳輸功能，可以分為系統控制側和終端執行側2部分。如圖1所示，系統控制側包括統一控制部分和系統基站部分，執行側為執行終端。統一控制部分主要完成對整個系統的流程控制以及與用戶的交互工作；系統基站部分是無線信號發射源，需要實現和終端的無線信號連接管理；終端側主要負責對實際命令按期望進行執行。

圖1 傳輸系統整體框架

整個系統采用星型拓撲結構。終端處于系統側基站信號覆蓋范圍之內，具體位置不受限制。終端能夠主動注冊到相應基站，當所處位置有多基站覆蓋時，終端能夠自動識別并選擇信號最佳的基站進行注冊。系統側支持通過統控軟件將文本、音頻等相關數據傳輸至終端側并由終端執行相關命令。

星型拓撲結構使得系統可擴展性能夠得到保證[17]。隨著終端數量的增加，系統側基站的壓力會逐步增大[18]，采用單終端理論執行時間與實際測試結果相結合的方式推算多終端掛載條件下的業務執行時間，以此作為基站支持的最大終端掛載數量。最大掛載數量的限制可以在系統正常運行的同時保證系統數據傳輸的高效性。通過新增基站來對整個結構進行擴展，而系統側統控軟件可以統一對基站進行管理，同時對部分或所有終端下發具體的業務指令。

在覆蓋的邊緣或信號強度不佳的區域，為防止終端無法正常工作，系統會將普通終端替換為大功率終端。另外，系統在終端側添加自動功率控制功能，根據實際的使用環境來動態調節終端的發射功率，保證終端不會持續工作在大功率狀態，減小功耗的同時也延長了終端的使用壽命。

2 關鍵技術問題分析

數據傳輸系統最根本的作用是數據傳遞，因此數據包容性、數據完整性保證是衡量系統性能的關鍵。針對文中提出的系統，通過數據傳輸流程簡單說明不同消息處理方式，在此基礎上結合時隙碰撞處理完成系統收發的環形構建。為保證數據完整性增加數據重傳設計，同時針對覆蓋邊緣區域的大功率終端增加自動功率控制功能。下面對系統采用的關鍵技術問題進行詳細分析。

2.1 數據傳輸流程

數據傳輸，主要分點對點數據傳輸和點對多點數據傳輸2種情況，系統整體數據傳輸流程如圖2所示。

圖2 數據傳輸實現流程

終端側在接收到系統側數據后首先對數據進行數據校驗，數據校驗通過后會對數據內容進行判斷。首先對接收到的數據頭進行分析可識別數據是點對點數據還是點對多點數據。為了區分不同終端，每個終端在出廠時含有獨立的標簽號。點對點數據頭中攜帶需要執行命令的終端所對應的標簽號。

系統側在接收到終端側回復的ACK消息后，會給終端發送相應的數據內容。在進行點對點數據傳輸時，需要執行命令的終端在接收到消息內容后立刻執行命令并將執行結果發送給系統側。在進行點對多點數據傳輸時，終端在接收到消息內容后繼續等待系統側發送消息。系統通過包含需要執行命令的終端標簽號的“點名消息”實現多點數據發送方式的簡化，同時對于終端的動態分組也提供了便利的實現方式。

2.2 多用戶碰撞處理機制

在點對多點的數據傳輸方式下，系統向多個終端發送數據命令后，執行命令的多個終端在完成數據處理后都會向同一基站回復ACK消息，所以在極短的時間內系統側會收到大量消息。大量消息同時抵達會形成射頻消息串擾，給系統側造成RFID碰撞問題。

較為普遍的RFID防碰撞算法主要是ALOHA算法和樹算法2大類。不管是上述哪種方式，都會存在競爭從而恢復消息重復發送，由于系統應用的實際背景下終端數量有限且可估，因此系統最終選用了被動上拉的方式來消除時隙碰撞。

系統側發送命令消息后延時一段時間對終端逐個發送上拉消息。終端接收命令處理執行后處于等待狀態，收到系統的上拉命令回傳ACK消息，這樣就避免了并發帶來的碰撞問題。由于系統側采用多載波并發機制，這樣利用不同載波對應不同終端分組，避免了單載波串行回復造成命令處理周期過長的問題。

2.3 應用數據重傳機制

在實際測試發現，由于環境等因素對空口影響會造成數據內容產生一定概率的誤碼，導致終端側協議層對數據CRC校驗無法通過，最終命令無法被執行。由此可見，開環的系統到終端消息發送模式在實際應用中效果并不理想，增加消息狀態反饋以及消息重發機制對于整個提高系統的業務性能是十分必要的。本文系統所使用的消息重發機制流程如圖3所示。

圖3 消息重發機制流程

系統側在向終端發送消息后會開啟消息超時定時器和重發次數計數器。如果在規定的超時時間內未收到終端側回復的ACK消息，那么系統側會重新向終端發送上一條消息，同時累加重發計數器。如果在最大重發次數內、規定的超時時間內收到終端側的ACK消息，則認為消息發送成功，否則重復至累加重發計數器到達預設的最大重發次數，最終將記為消息發送失敗。消息發送失敗后進行終端注冊狀態監測，同時將失敗消息反饋至系統側人機交互界面，提醒用戶及時對該現象進行相應的排查工作。

2.4 自動功率控制

終端如果長時間處于大功率工作狀態會使得終端發熱嚴重，一方面影響系統運行功耗，另一方面會對系統壽命產生影響。因此，為保證數據傳輸系統能夠長時間正常工作，在終端側增加了自動功率控制功能。終端的自動功率控制通過檢測基站信號強度以及自身溫度傳感器的實時溫度兩個參數來進行自動調節，自動功率控制具體實現過程如圖4所示。

圖4 接收態自動功率控制流程

首先通過實驗獲取相應基站信號強度下所需終端發射的最低功率值，適當調整后制作“基站信號-終端輸出功率表”供終端讀取。終端實時讀取基站信號強度，若數據處理后得到的基站信號強度持續位于功率表某閾值范圍內，則將終端輸出功率調整至該閾值范圍相對應輸出功率。在這基礎上，終端根據溫度傳感器數據與實驗得到的閾值進行循環比較，并根據比較結果實時調節設備發射功率，從而將發射功率和設備溫度穩定在可控范圍內。

3 系統實測效果及分析

系統目前已應用于一個人防系統，布置初期在實際環境中對整個系統進行了測試。

實際環境中系統采用單基站掛載多終端的方式，單基站實際掛載終端數為200個，時隙間隔30 ms，采用雙載波單信道通信機制。終端放置不同位置，實測最遠距離為10 km左右。對系統進行實際測試，系統指令測試主要分為點對點消息和點對多點消息。

點對點消息在系統中主要對應TTS相關消息，采用TTS_ON、TTS_OFF消息作為點對點消息實測對象。實際測試中發送次數為1 000，時間間隔20 s，實測結果如表1所示。

表1 點對點消息業務測試

消息類型系統側發送消息數量終端側接收消息數量傳輸成功率/%終端側執行成功率/%明顯延遲終端數終端響應平均時間/sTTS_ON1 0001 00010010000.313TTS_OFF1 0001 00010010000.306

點對點消息傳輸時間與終端總數、載波數量、信道數無關，單部終端單幀指令理論時間為僅與時隙間隔時間有關(不考慮代碼處理及傳播時間)，由于系統每隔一個時隙(30 ms)進行一次數據傳輸，且點對點消息應該為兩條消息，所以單幀指令理論執行時間為：

tsi=tsns+trnr,

式中，tsi為點對點消息執行總時間，ts為系統單條消息發送時間，nr為發送條數，tr為終端單條消息回復時間，nr為終端回復消息數。

在系統參數下，點對點消息執行時間為：

(0.06+0.06)*2=0.24 s。

由表1可知，實測點對點數據平均處理時間為0.3 s左右，與理論時間差距較小，滿足實時性要求。

對于點對多點消息傳輸，測試命令采用數據發送命令、數據停止命令、授時命令、巡檢命令以及文本編輯等一些常用命令，每條重復發送數量固定為1 000次，記錄接收數量并計算成功率。表2為系統測試階段數據。

表2 消息業務測試

消息類型系統側發送消息數量終端側接收消息數量傳輸成功率/%終端側執行成功率/%明顯延遲終端數終端響應平均時間/s回復碰撞標記數數據發送1 0001 000100100013.2310數據停止1 0001 000100100012.9750授時命令1 0001 000100100013.5440巡檢命令1 0001 000100100013.7420文本編輯1 0001 000100100013.0120其他命令1 0001 000100100012.9730

點對多點消息傳輸時間與系統整體掛載終端數有關。在不考慮程序執行時間、使用上述系統配置下點對多點消息所需理論時間為：

tmt=thnh+tcnc+tnnn+trnr/nca,

式中，tmt為點對多點消息執行總時間，th為單條消息頭發送時間，nh為消息頭發送數量，tc為單條消息內容發送時間，nc為消息內容發送數量，tn為單條點名消息發送時間，nn為點名消息發送數量，tr為終端回復單條消息時間，nr為終端回復消息數量，nca為載波數。

上述測試系統同樣采用時隙間隔30 ms，單信道雙載波系統掛載200部終端進行測試。在系統參數下，點對多點消息所需理論時間為：

(0.06+0.06+0.06*200*2)/2=12.06 s。

由表2所示，實測平均時間均在13 s左右，考慮實際系統執行時間，上述實測平均時間滿足實時性要求。由傳輸成功率可知，系統能夠滿足基本的消息通信功能。由碰撞標記數可知，系統實際運行過程中未發生RFID碰撞。

通過實驗驗證結果表明：系統的數據傳輸成功率很高，同時有效解決了點對多點的RFID碰撞問題。實際傳輸時間與理論計算時間差距較小，符合系統整體的實時性設計要求。

4 結束語

本文提出的窄帶數據傳輸系統，在保證空口數據穩定傳輸的前提下，解決了系統RFID碰撞、數據重傳及覆蓋邊緣區域的終端自動功率控制等問題，有效地保證了窄帶無線網絡數據傳輸的完整性、可靠性和容錯性，提升了窄帶無線信道資源的利用率和系統的數據吞吐量，提高了系統的環境適應性和易用性。同時，系統實現過程中所采用的數據防碰撞技術、數據重傳和自動功率控制技術對于窄帶數據傳輸領域也具有積極的參考意義。

該系統目前已成功部署于一個行業的無線通信領域，并取得了良好的應用效果，可以復制應用到人防、公安以及應急指揮等相關領域，通過穩定可靠的空口數據傳輸，為行業應用提供有效的數據支撐和保障，提升該領域基于窄帶無線通信的應用能力和水平。